A négyzetesnek kereknek kell lennie

Morfológiai jellemzés a szilárdtest elektrolit és a kompozit katód esetében. © Fraunhofer IPA/Kép: Rainer Bez

Festkörperelektrolyt a bevonat után az áramvezető felett. © Fraunhofer IPA/Fotó: Rainer Bez

Az energiával a lehető legtöbbet tároló akkumulátorokat elsősorban elektromos járművekhez keresik. A Fraunhofer IPA szilárdtest-akkumulátorokon dolgozik, amelyek 700 wattóra kilogrammonkénti energiasűrűséggel szinte kétszeresei a mai lítium-ion akkumulátoroknak. Digitális ikrek segítenek eltüntetni a tömeggyártás akadályait.

A Fraunhofer Ipari Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet (IPA) olyan technológiákra összpontosít, ahol a laboratóriumi mintától a ipari nagyüzemi gyártásig való skálázás megvalósíthatónak tűnik. Fontos, hogy az új típusú akkumulátorokat bizonyos módosításokkal meglévő berendezéseken is lehet gyártani. Végtermékként a 21700-as szabványos formátumú kör alakú cellák kerülnek a gyártósorra, amelyek 21 milliméter átmérőjűek és 70 milliméter hosszúak.

Olyan gyártók, mint például a VARTA AG, amely a Fraunhofer IPA akkumulátorkutatási projektpartnere, nem véletlenül ragaszkodnak ezekhez a hengeres cellákhoz. Egy-egy ilyen cella könnyebben ellenőrizhető egy akkumulátormodulban, és meghibásodás esetén könnyebben cserélhető. A cellák közötti üregeken keresztül hő is elvezethető. Gyakran az autó akkumulátorának kiváltása után más alkalmazásokban is tovább használják ezeket az energiatárolókat, és a szabványos kör alakú cellák megkönnyítik ezt.

Repedező anyag kihívásokat jelent

Szilárdtest-akkumulátor cellák nem tartalmaznak folyadékot elektrolitként, ellentétben a lítium-ion akkumulátorokkal, hanem kerámia- vagy sulfidos, azaz kén tartalmú szilárd elektrolitot használnak. Polimer elektrolitok is lehetőségként szerepelnek, de ezek magasabb működési hőmérsékletet igényelnek, 60 Celsius fok felett. A mai cellák általában lapos, téglalap alakú pouch cellák formájában készülnek. A Fraunhofer IPA kerámia szilárd elektrolitok területén végzett fejlesztései célja, hogy felgyorsítsák a szinterelési folyamatot, és már ebben a lépésben kialakítsák a későbbi akkumulátorban alkalmazott kívánt geometriát. Az anyag repedékenysége azonban megnehezíti a utófeldolgozást és a kör alakú cellákra való tekercselést.

A sulfidos szilárd elektrolitok jelentős előnyt jelentenek a kör alakú cellákhoz való alkalmazásban. A megfelelő feldolgozás során rugalmas rétegek hozhatók létre, amelyek még kis tekercselési sugár esetén is stabilak. Emellett a Thio-LISICON-szulfid család, amely szervetlen elektrolit, ígéretes eredményeket mutat alacsony hőmérsékleten az ionvezetőképesség terén. Bár a sulfidos elektrolitok kiváló ionvezetőképességgel rendelkeznek, és versenyezhetnek organikus folyadék elektrolitokkal, jelenleg sokkal drágábbak. A megfelelő gyártási kapacitások kiépítésével költséghatékony előállításuk valósítható meg.

Az ipari szilárdtest-akkumulátor gyártásig még hosszú az út. Jelenleg a szilárdtest-akkumulátorokat főként lítiumot tartalmazó anódokkal gyártják, ami különleges kihívásokat jelent a szerelési környezet számára. Annak érdekében, hogy az anyag ne reagáljon a levegő oxigénjével vagy nedvességével, nemcsak drága szárazkamrás környezetre van szükség, hanem néha további hermetikusan zárt gyártási területekre is, argon védőgázzal. A Fraunhofer IPA kutatói ezért vizsgálják, hogyan lehet a szilárdtest-akkumulátorokat mérsékelt körülmények között gyártani. »Egy ígéretes megközelítés a lítiumfém in-situ kiválasztása. Ez során a katódban lévő lítium-ionok az első töltés során egy réteget képeznek a negatív elektróda vezetőjén«, mondja Duygu Kaus a Digitalizált Akkumulátorcellák Gyártási Központjától (ZDB). A kísérleti sorozatok célja, hogy kiderüljön, mely vezetőanyaggal a legjobb az in-situ anódképződés.

Digitális iker támogatja az akkumulátorcellák fejlesztését és a gyártás optimalizálását

Az egyik legmegfelelőbb paraméter megtalálásához eddig kísérleteket kellett végezni – nemcsak laboratóriumi körülmények között, hanem skálázható ipari gyártási feltételek mellett is. Ez jelentős anyagfelhasználással járna, és minden módosítás hatással lenne a folyamat további lépéseire.

„Egy elegánsabb megoldás a Digitális Iker. Segíti a gyártósoron dolgozó munkatársat figyelése, elemzése és előrejelzése révén“, mondja Soumya Singh a ZDB-től. A Digitális Iker egy virtuális mása az egyes folyamatlépéseknek vagy teljes gyártósoroknak, amelyet folyamatosan egészít ki a gyártási adatokkal. A Digitális Iker segíti a mérnököket abban, hogy szimulálják a jövőbeni viselkedést különböző paraméterezések mellett, és előre értékeljék azok hatásait. A gyártási adatokból táplálkozva a Digitális Iker információt ad arról, hogy mennyire hatékonyak az egyes folyamatlépések, illetve hogy a különböző feldolgozási paraméterek hogyan befolyásolják a közbenső termékek minőségét, a gyártási időt és azok stabilitását. Például a Digitális Iker segítségével a kezelő számítógépén meghatározható, hogy egy elektróda gyártási lépései hogyan nézzenek ki, hogy végül rugalmas legyen, és könnyen feltekerhető legyen.

A bevezetés után a Digitális Iker szinkronban van a gyártási lépéssel, és folyamatosan frissül a gyártás aktuális adataival. Figyeli, hogy mennyire stabil a termelés, és a minőségirányítás szerves részévé válik.